JP3338837B2 - 複合表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は外界の画像情報から
の光を取り込み撮像素子に形成する撮像光学系と液晶等
の表示手段に表示した画像情報を観察する表示光学系と
を合わせ持つ装置全体の小型化を図った複合表示装置に
関するものであり、特にヘッドマンテッドディスプレイ
やメガネ型ディスプレイと称せられる装置に好適なもの
である。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ヘッドマンテッドディスプレ
イ（ＨＭＤ）に小型のＣＣＤカメラを取り付け、小型の
ＣＣＤカメラから得られた画像情報をＨＭＤにそのまま
表示する装置や、又は小型のＣＣＤカメラから得られた
画像情報を処理して何らかの画像情報に変換し、それを
ＨＭＤに表示する装置が提案されている。又、ＨＭＤに
おいてシースルー型のＨＭＤ（外界の光をダイレクトで
角倍率１で観察できる構成のＨＭＤ）も種々と提案され
ている。

【０００３】このような形態のＨＭＤは、ＨＭＤの表示
手段で表示した画像情報を観察する為の表示光学系の眼
球光軸と外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させるＣＣ
Ｄカメラ（撮像光学系）の光軸が異なっているとパララ
ックスが生じてくる。パララックスがなく、撮像光学系
と表示光学系とを合わせ持つ装置が、特開平４−２２３
５８号公報や特開平５−３０３０５３号公報で提案され
ている。

【０００４】特開平４−２２３５８号公報で提案されて
いる表示光学系は、小型液晶から発せられた光が平面ハ
ーフミラーを介した後、接眼レンズにより眼球に導かれ
ている。一方、撮像光学系は外界の光が平面ハーフミラ
ーを介した後、小型カメラに結像されている。この平面
ハーフミラーは４５度で配置されているため装置が大き
くなる傾向があった。又眼球の前に接眼レンズがあるた
め、シースルー光学系が成り立たない。

【０００５】特開平５−３０３０５３号公報では、シー
スルー光学系が成り立つ構成を開示しているが、光学系
が複雑で装置が非常に大きくなる傾向があった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ＨＭＤの表示手段で表
示した画像情報を観察する為の表示光学系の眼球光軸と
外界の画像情報をＣＣＤ面上に結像させる撮像光学系
（ＣＣＤカメラ）の撮像光軸が異なっているとパララッ
クスが生じてくる。このパララックスをなくす為にハー
フミラーを用いて撮像光学系と表示光学系の双方の光軸
を一致させると表示手段からの光束の一部がハーフミラ
ーを透過して撮像光学系のＣＣＤ面上に入射してくる場
合がある。表示手段からの光束がＣＣＤ面上に結像して
いる外界からの画像情報に入射するとフレアー（雑音）
となり外界の画像情報の画質を低下させる原因となって
くる。

【０００７】このようなＨＭＤ等の複合表示装置におい
ては、装置を観察者の頭部に装着する為に装置全体が小
型、及び軽量であること、表示光学系と撮像光学系によ
る画像の画質がよいこと、パララックスがないこと、か
つシースルー光学系が成り立つこと等が要望されてい
る。

【０００８】本発明は液晶ディスプレイ（液晶ＬＣＤ）
等の表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の
複数の偏心反射面を有する表示光学系の構成及び外界の
画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に結像させる撮像光
学系の構成を適切に設定することによって、装置全体の
小型化を図りつつ、表示手段からの光束が撮像光学系の
撮像面に入射するのを防止し、該双方の画像情報をパラ
ラックスがなく良好なる状態で観察及び結像することが
できる複合表示装置の提供を目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の複合表示装置
は、 (1-1) 画像情報を表示した表示手段からの光束を観察者
の眼球に導光するプリズム体ａを有する表示光学系と、
外界からの光束を撮像素子に結像させるプリズム体ｃを
有する撮像光学系とを有し、光路中に設けた光路分離手
段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射する光束
の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球光軸と、
該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外界光軸と
を略一致させており、該２つのプリズム体ａ，ｃは該光
路分離手段を境に接合しており、該表示手段からの光束
が該撮像光学系の撮像素子に入射するのを防止する遮光
手段とを有していることを特徴としている。

【００１０】(1-2) 画像情報を表示した表示手段からの
光束を観察者の眼球に導光する複数の反射面を有する表
示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる複
数の反射面を有する撮像光学系とを有し、光路中に設け
た光路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に
入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想
眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束
の外界光軸とを略一致させており、該表示光学系と該撮
像光学系中の複数の反射面は偏心し、曲率を有してお
り、該光路分離手段は、面頂点回りのアジムス角度によ
り屈折力が異なる面より成り、該表示手段からの光束が
該撮像光学系の撮像素子に入射するのを防止する遮光手
段とを有していることを特徴としている。

【００１１】特に、構成(1-1) 又は(1-2) において、 (1-1-1) 前記光路分離手段は偏心した曲率を有した反射
面又はハーフミラー面より成っていること。

【００１２】(1-1-2) 前記表示手段は液晶ＬＣＤより成
り、前記遮光手段は偏光板より成り、前記撮像素子の前
方に設けていること。

【００１３】(1-1-3) 前記表示手段はカラー画像情報を
表示しており、該表示手段を光源からの複数の色光で時
分割的に照明していること。

【００１４】(1-1-4) 前記遮光手段を前記光源からの複
数の色光を不透過とし、それ以外の色光を透過させるカ
ラーフィルターより構成したこと。

【００１５】(1-1-5) 前記表示手段はカラー液晶ＬＣＤ
より成り、該カラー液晶ＬＣＤをバックライト光で照明
していること。

【００１６】(1-1-6) 前記遮光手段を前記カラー液晶Ｌ
ＣＤからの複数の色光を不透過とし、それ以外の色光を
透過させるカラーフィルターより構成したこと。

【００１７】(1-1-7) 前記撮像光学系と前記表示光学系
は光路分離手段によって逆方向の光路に分離しており、
該表示光学系は該光路分離手段の反射面の一方側の反射
面を含み、該撮像光学系は該光路分離手段の反射面の他
方側の反射面を含んでいること。

【００１８】(1-1-8) 前記光路分離手段を透過作用と反
射作用を有する面から構成し、外界からの光束が前記撮
像光学系の一部を通過し、該光路分離手段を通過し、前
記表示光学系の一部を通過して観察者の眼球に導光し
て、外界の画像情報を観察するシースルー光学系を構成
していること。等を特徴としている。

【００１９】(1-3) 画像情報を表示した表示手段からの
光束を観察者の眼球に導光する表示光学系と、外界から
の光束を撮像素子に結像させる撮像光学系とを有し、光
路中に設けた光路分離手段によって該表示光学系の観察
者の眼球に入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延
長した仮想眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射し
てくる光束の外界光軸とを略一致させており、該表示手
段では画像情報を時分割的に表示しており、該撮像素子
では該表示手段で画像情報を表示していない時刻のみ、
外界からの画像情報の記録を行っていることを特徴とし
ている。

【００２０】(1-4) 画像情報を表示した表示手段からの
光束を観察者の眼球に導光する複数の反射面を有する表
示光学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる複
数の反射面を有する撮像光学系とを有し、光路中に設け
た光路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に
入射する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想
眼球光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束
の外界光軸とを略一致させており、該表示手段では画像
情報を時分割的に表示しており、該撮像素子では該表示
手段で画像情報を表示していない時刻のみ、外界からの
画像情報の記録を行っていることを特徴としている。

【００２１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の複合表示装置の実
施形態１の要部概略図である。同図において、１０１は
表示光学系（ＬＣＤ表示光学系）であり、複数の偏心し
た曲率を有する偏心反射面を複数個有しており、表示手
段としての液晶ＬＣＤ２で表示した画像情報を観察者の
眼球１に導光している。１０１ａは表示光学系１０１の
光軸である。１０２は撮像光学系（ＣＣＤ結像光学系）
であり、複数の偏心した曲率を有する偏心反射面を複数
個有しており外界の画像情報を撮像素子ＣＣＤ３に結像
している。１０２ａは撮像光学系の光軸である。

【００２２】本実施形態では、表示光学系１０１と撮像
光学系１０２の両方に、複数の内面反射を利用したプリ
ズム体９ａ，９ｃを使用している。そして２つのプリズ
ム体９ａ，９ｃとを後述する光路分離手段４を境にして
接合している。光路分離手段４は、偏心した曲率を有し
た反射面より成り、表示光学系１０１からの光路と撮像
光学系１０２の光路とを分離する面となっている。光路
分離手段４は偏心反射面より成り、表示光学系１０１で
一方側の反射面を使用し、撮像光学系１０２では他方側
の反射面を使用している。

【００２３】液晶ＬＣＤ２で表示される画像情報からの
光束は直線偏光となって射出している。ＰＰは偏光板で
あり、液晶ＬＣＤ２から放射した直線偏光の偏光軸と直
交する方向に偏光軸を設定している。これにより、後述
するように液晶ＬＣＤ２からの直線偏光が光路分離手段
４とプリズム体９ｃとを介して光学系６によってＣＣＤ
３に入射するのを防止している。５は絞りである。６は
光学系であり、プリズム体９ｃを介して入射してくる外
界の画像をＣＣＤ３面上に結像している。

【００２４】尚、外界の画像情報を眼球１に導光して表
示手段２で表示した画像情報と重畳させて観察する。又
は外界の画像情報のみを観察するシースルー光学系１０
３も成り立たせるときは光路分離手段４の反射面をハー
フミラーとし（本実施形態ではハーフミラーは透過率５
０％、反射率５０％だけでなく、比率は任意である）、
両光学系１０１，１０２のプリズム体９ａ，９ｃの材質
の屈折率を同じにしている。１ｃはシースルー光学系１
０３の光軸（外界光軸）である。

【００２５】本実施形態では表示光学系１０１の光軸１
０１ａと撮像光学系１０２の光軸１０２ａ、そしてシー
スルー光学系１０３の光軸１ｃは光路分離手段４で一致
し、又眼球光軸１ａと同軸としている。

【００２６】本実施形態では、このように各要素を設定
して小型の光学系を得ている。 尚、本実施形態におけ
る偏心反射面は面頂点回りのアジムス角によって屈折力
が異なるようにして良好なる光学性能を維持している。

【００２７】次に、図１の各要素について説明する。表
示光学系１０１は液晶ＬＣＤ（表示手段）２からの光が
プリズム体９ａの入射面Ｅ１に入射し、反射面８ａで反
射し、全反射面７ａを臨界角度以上の入射角で入射して
全反射し、光路分離手段４で反射し、全反射面７ａを臨
界角度以下の入射角で入射して透過面Ｅ２より透過して
眼球１に導かれる。このように表示光学系は液晶ＬＣＤ
２からの光束を２回又は３回の反射をして結像すること
なく眼球１に導光している。これによって液晶ＬＣＤ２
に表示した画像情報を観察している。

【００２８】撮像光学系１０２は外界からの光がプリズ
ム体９ｃの入射面Ｅ３より入射し（全反射面７ｃの一
部）、光路分離手段４で反射し、全反射面７ｃを臨界角
度以上の入射角で入射して全反射し、プリズム体９ｃの
射出面Ｅ４より射出後、絞り５、光学系６を経て撮像素
子ＣＣＤ３に結像する。これによって外界の画像情報を
記録している。

【００２９】本実施形態のシースルー光学系１０３は外
界からの光が撮像光学系１０２のプリズム体９ｃの入射
面Ｅ３に入射し、光路分離手段４（ハーフミラー）を透
過し、表示光学系１０１のプリズム体９ａの射出面Ｅ２
を臨界角度以下の入射角で入射し、射出面Ｅ２を透過し
て眼球１に導かれている。これによって外界の画像情報
を観察している。

【００３０】本実施形態では撮像光学系１０２の絞り５
の位置近傍、即ち瞳位置近傍に偏光板ＰＰを配置してい
る。この偏光板ＰＰの偏光軸は液晶ＬＣＤ２からの直線
偏光の偏光軸と直交するようにしている。

【００３１】これによって液晶ＬＣＤ２からの光が光路
分離手段４を通過し、プリズム体９ｃを通過し、光学系
６によってＣＣＤ３面上に入射し、フレアー（雑音）と
なるのを防止して、ＣＣＤ３で得られる外界の画像情報
の光学特性を良好に維持している。

【００３２】本実施形態において、プリズム体９ａの全
反射面７ａと射出面Ｅ２は同じ曲面より成っており、光
束の入射条件によって使い分けている。又、プリズム体
９ｃの入射面Ｅ３と全反射面７ｃは同じ曲面より成って
おり、プリズム体９ａと同様に光束の入射条件によって
使い分けている。以下の各実施形態においても同様であ
る。

【００３３】本実施形態では表示光学系１０１と撮像光
学系１０２とを光束分離手段４で対向配置することによ
って、眼球１に入射する光束の眼球光軸１ａ又は眼球光
軸１ａを延長した仮想眼球光軸１ｂと、外界から撮像光
学系１０２に入射してくる光束の外界光軸（撮像光学系
１０２の光軸１０２ａ）１ｃが略一致するようにして、
液晶ＬＣＤ２に表示された画像情報の観察と、外界の画
像情報の撮像素子ＣＣＤ３面上における結像、そして外
界の画像情報の観察（シースルー光学系）をパララック
スのない状態で同時に観察及び撮像できるようにしてい
る。

【００３４】次に本実施形態の特徴について説明する。
表示光学系１０１と撮像光学系１０２は両者とも複数の
反射面を有しており、該複数の反射面により、液晶ＬＣ
Ｄ２からの光及び外界からの光は眼球光軸１ａ方向に沿
って、逆方向の方向に交互に折り畳まれ、眼球１及び撮
像素子３に導かれるようにして、表示光学系１０１、撮
像光学系１０２を併せ持った光学系の厚さを薄くしてい
る。

【００３５】又、パララックスをなくすために外界の外
界光軸１ｃと眼球光軸１ａが略一直線上に設定して、撮
像素子３からの情報を表示光学系１０１の液晶ＬＣＤ２
で表示して観察するとき、自分が今向いている方向の映
像がパララックスなしに観察できるようにしている。

【００３６】更に外界からの光が光路分離手段４を透過
して眼球１へ導かれ、外界を観察できるシースルー光学
系１０３を有すると、外界の状況に応じた情報を表示光
学系１０１に表示させ、パララックスがないためスーパ
ーインポーズさせられた情報があたかも現実世界のもの
のように見えるようにしている。

【００３７】又、本光学系（表示光学系、撮像光学系）
の複数の反射面は、偏心し曲率を有した反射面とし、複
数の反射面を偏心させると反射面の配置を自由にできる
ため、本光学系を薄くできる。そして反射面を平面でな
く曲率を持たせることにより、不用な反射面又はレンズ
を取り除くことを可能としている。

【００３８】又、複数の偏心し曲率を有した反射面は、
面頂点回りのアジムス角度により屈折力が異なる面（以
下、自由曲面，面頂点：自由曲面の関数式における頂点
０，０としている。）。偏心し曲率を有した反射面では
非回転対象の偏心収差が発生するが、通常の回転対象の
球面や非球面では、この偏心収差を抑えることができな
い。そこで面頂点回りのアジムス角度により屈折力が異
なる自由曲面（非回転対象）により偏心収差を抑制して
いる。

【００３９】本実施形態では、液晶ＬＣＤ２からの光が
表示光学系１０１に入射した後、２回又は３回反射して
表示光学系１０１を射出し、結像することなく眼球に導
かれるようにして光学系の小系化を図っている。

【００４０】他に、表示光学系１０１、撮像光学系１０
２共に、臨界条件を満たす全反射面を含み３面以上の異
なる光学面を持つプリズム体を用いている。この全反射
面がプリズム体の透過射出面を兼ねると、面への入射角
度により透過したり反射（全反射）したりする。通常透
過と反射の両作用を持たせるときは、ハーフミラーを使
うが、光量が減ってしまう。これに対して本実施形態で
は全反射面により光量ロスが全くなく画像が明るくな
る。

【００４１】本実施形態における光路分離手段４は偏心
し曲率を有した１面の反射面より成り、該表示光学系は
該反射面の一方側の反射面を含み、該撮像光学系は該反
射面の他方側反射面を含んでいる。光路分離手段４を偏
心した平面でなく曲率を持たせることにより、両光学系
とも不用な反射面又はレンズを取り除き、かつ１面で光
路分離しているため、トータルで光学装置を小さくして
いる。

【００４２】又、光路分離手段４の反射面は、面頂点回
りのアジムス角度により屈折力が異なる面とし、両光学
系から発生する偏心収差を補正している。

【００４３】本実施形態では、外界からの光を撮像素子
３に結像させる撮像光学系１０２を複数の偏心し曲率を
有した反射面を用いることにより、外界からの光を外界
光軸１ｃ方向及び逆方向の方向に交互に折り畳んだ後、
該撮像光学系１０２の絞り５を通過し、その後の偏光板
ＰＰと光学系６を通して撮像素子３に導いている。これ
によって複数の偏心し曲率を有した反射面により不用な
反射面及びレンズを取り除き、光線を交互に折り畳むこ
とにより撮像光学系を薄型化している。

【００４４】その背後に、絞り５、偏光板ＰＰ、光学系
６を配置して、前半の複数の偏心し曲率を有した反射面
の光学系と光学系６の大きさをバランスよくしている。
又、前半の複数の偏心し曲率を有した反射面の光学系に
正の屈折力を持たせることにより、絞り径を小さくして
いる。

【００４５】又、複数の偏心し曲率を有した反射面を含
み３面以上の異なる光学面を持つプリズム体９ｃを用い
て、該絞り５がプリズム体９ｃの射出面近傍に配置して
いる。複数の偏心し曲率を有した反射面をプリズム面と
すると、複数の反射面を一体で作れ、製造しやすくな
る。又、絞り５をプリズム体９ｃの射出面近傍に置いて
プリズム体９ｃを小さくしている。

【００４６】撮像光学系１０２のピント調節は絞り面６
以降の光学系６で行っている。これは絞り面５以降の小
さな光学系６を用いてピント調節をしやすくしている。

【００４７】又、本発明は、外界から直接眼球の網膜に
映る像倍率と本発明の外界の情報をＣＣＤ３に取りこ
み、ＬＣＤ２に表示して網膜に映る像倍率を略等しくし
ている。これはシースルーがない場合は、外界が見えな
くともあたかも外界を見ているような感じを再現するこ
とを可能とする。又シースルーの場合は、シースルーの
外界に、ＬＣＤ表示を同じ大きさで重ねることができる
為、例えばＣＣＤに取りこまれた情報を赤外線により得
られたものとすると、シースルーでは見えなかったもの
まで、あたかも見えるように感じることになる。

【００４８】尚本実施形態において、偏光板ＰＰを用い
ないで液晶ＬＣＤ２で表示する画像情報を時分割で表示
し、（例えば眼の残像時間内，１／６０〜１／３０秒）
一方、撮像素子３で記録する外界からの画像情報の記録
時間を液晶ＬＣＤ２の表示時刻をずらし、液晶ＬＣＤ２
からの光束が撮像素子２に入射していない時刻のみ、撮
像素子３からの信号を使用するように電気処理回路を用
いて構成しても良い。、これによっても本実施形態と同
様の効果が得られる。

【００４９】例えばＴＮ液晶を用い、白色のバックライ
トで照明する構成の表示光学系と外界の画像をＣＣＤ面
上に結像する撮像光学系とを用い、表示光学系として図
９に示す液晶ＬＣＤ２面上に１画面を１／６０秒で走査
し、形成し、次に撮像光学系として図１０に示すＣＣＤ
３で外界の画像情報を１／６０秒で撮像し、時分割し、
表示手段２に１／３０秒毎に画像を表示する残像効果で
動的な画像を観察することができる。このような工程を
順次繰り返すことによって行っても良い。

【００５０】次に本発明において表示手段２からの光束
が光路分離手段４を介してＣＣＤ３に入射するのを防止
する他の実施形態について説明する。

【００５１】図２は本発明の実施形態２の要部概略図で
ある。本実施形態は図１の実施形態１に比べて、 ・表示手段２１として偏光状態の光を放出する液晶ＬＣ
Ｄの代わりに無偏光状態の光を放出するＣＲＴ等を用い
ていること。

【００５２】・表示手段２１とプリズム体９ａとの間に
偏光板２２をその偏光軸が偏光板ＰＰの偏光軸と直交す
るように配置していること。が異なっており、その他の
構成は同じである。本実施形態ではこれによって実施形
態１と同様の効果を得ている。

【００５３】図３は本発明の実施形態３の要部概略図で
ある。本実施形態は図１の実施形態１に比べて、 ・表示手段２として強誘電性ディスプレイ，ＦＬＣＤを
用いて時分割してカラー画像情報を表示し、各色光に基
づくカラー画像の表示に同期させて各色光を放射する３
つの光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂで時分割して順次照明
していること。

【００５４】・表示手段２に表示するＲ，Ｇ，Ｂの画像
を眼の残像効果を利用して全体として１／６０〜１／３
０秒内で表示していること。が異なっており、その他の
構成は同じである。尚、光源３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂは
白色光源とカラーフィルターとの組み合わせより構成し
たものでも良い。

【００５５】例えば表示手段２としてＦＬＣＤを用い、
３階調のカラー画像（Ｒ，Ｇ，Ｂ）を１／６０秒で表示
する場合について説明する。

【００５６】図１１（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）に示すよう
に、第１階調のカラー画像Ｒ，Ｇ，ＢをＦＬＣＤ面上に
１／６００秒で時分割して順次表示し、１つの階調のカ
ラー画像を３／６００秒で表示する。

【００５７】次いで第２階調と第３階調のカラー画像
Ｒ，Ｇ，ＢをＦＬＣＤ面上に第１階調のカラー画像の表
示と同様に、３／６００秒で表示する。

【００５８】そして全体として３つの階調のカラー画像
を３／６００×３≒１／６７秒で表示する。ここで（１
／６０ − １／６７）秒の時間は次のステップにいく
ときの調整時間に用いている。

【００５９】次に撮像光学系においてはＣＣＤ３で外界
の画像情報を１／６０秒で撮像する。このような表示光
学系によるカラー画像の表示と撮像光学系による撮像と
を順次時分割で行うようにしても良い。

【００６０】尚、これによればＲ，Ｇ，Ｂの画素を各々
用いるので、３つのカラー画素で１つの画素とするカラ
ーフィルターを用いるのに比べて明るく、しかも高密度
となり、解像力を向上させることができる。

【００６１】又、表示手段２に用いている液晶として反
強誘電液晶を使って１つの階調のカラー画像を表示する
場合には図１２に示すようにカラー画像Ｒ，Ｇ，Ｂを各
々１／６００秒で時分割して表示し、１つのカラー画像
を３／６００＝１／２００秒で表示する。

【００６２】そして撮像光学系のＣＣＤ３で外界の画像
情報を１／６０秒で撮像する。このような表示光学系に
よるカラー画像の表示と撮像光学系による撮像とを順次
時分割で行うようにしても良い。

【００６３】尚、表示手段２に表示する１／２００秒と
１／６０秒との差分の時間（１／６０ −１／２００）
秒は、表示手段２の表示からＣＣＤ３による撮像へ、又
その逆へと移るときの調整時間に振り分けている。

【００６４】これによって表示手段２に表示したカラー
画像を明るく観察すると共に外界の画像情報をＣＣＤ３
に結像している。又、シースルー光学系１０３によって
外界の画像情報を表示手段２で表示した画像情報と重畳
して観察するようにしている。

【００６５】尚、本実施形態において３つの光源３１
Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂとして各々Ｒ，Ｇ，Ｂの各色光を放
射する３つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を用い、ＬＥＤ
からの光束で液晶ＬＣＤ２を照明し、又偏光板ＰＰの代
わりに図５に示すような分光特性を有するカラーフィル
ターＣＦを用いても良い。

【００６６】図５において波長λＢ，λＧ，λＲは各々
発光ダイオード３１Ｂ，３１Ｇ，３１Ｒの発光スペクト
ル波長である。

【００６７】カラーフィルターＣＦはこれらの波長λ
Ｂ，λＧ，λＲを中心とする所定の波長幅の光束を遮光
し、それ以外の波長λ１，λ２，λ３を中心とする波長
幅の光束を透過させる分光特性を持っている。

【００６８】このカラーフィルターＣＦは例えば複数の
ダイクロイックフィルターを用いて構成している。この
カラーフィルターＣＦによって液晶ＬＣＤ２からの各色
光がＣＣＤ３に入射するのを防止している。

【００６９】このときＣＣＤ３に入射する外界の画像情
報からの光束の一部の色光はカラーフィルターＣＦによ
って遮光され、画像情報の色バランスが崩れるが、これ
は後の信号処理回路（不図示）によって処理し、所定の
カラー画像を得るようにしている。

【００７０】図４は本発明の実施形態４の要部概略図で
ある。本実施形態は図１の実施形態１に比べて、 ・表示手段としてカラー画像表示用のカラー液晶ＬＣＤ
４０を用いていること。

【００７１】・カラー液晶ＬＣＤ４０をバックライト４
６で照明していること。が異なっており、その他の構成
は同じである。

【００７２】図４においてカラー液晶ＬＣＤ４０は偏光
板４１、カバーガラス４２、Ｒ，Ｇ，Ｂの微小なフィル
ターを２次元的に所定のピッチで配列したカラーフィル
ター４３、液晶素子４４、そして偏光板４５を有してい
る。

【００７３】液晶素子４４で表示されたカラー画像情報
（画素）をバックライト４６からの光束（白色光）で偏
光板４５を介して照明し、各画素からの光束をカラーフ
ィルター４３と偏光板４１を介して射出させている。

【００７４】ここで、カラー液晶ＬＣＤ４０から出射す
る偏光光束の偏光軸と偏光板ＰＰとの偏光軸とを直交さ
せている。これによって実施形態１と同様の効果を得て
いる。

【００７５】尚、本実施形態において偏光板ＰＰの代わ
りに図５に示すような分光特性を有するカラーフィルタ
ーＣＦを用いても良い。

【００７６】図５において波長λＢ，λＧ，λＲは各々
カラーフィルター４３の透過中心は腸である。偏光板Ｐ
Ｐの代わりに用いるカラーフィルターＣＦはこれらの波
長λＢ，λＧ，λＲを中心とする所定の波長幅の光束を
遮光し、それ以外の波長λ１，λ２，λ３を中心とする
波長幅の光束を透過させる分光特性を持っている。

【００７７】このカラーフィルターＣＦは例えば複数の
ダイクロイックフィルターを用いて構成している。この
カラーフィルターＣＦによって液晶ＬＣＤ２からの各色
光がＣＣＤ３に入射するのを防止している。

【００７８】このときＣＣＤ３に入射する外界の画像情
報からの光束の一部の色光はカラーフィルターＣＦによ
って遮光され、画像情報の色バランスが崩れるが、これ
は後の信号処理回路（不図示）によって処理し、所定の
カラー画像を得るようにしている。

【００７９】次に本発明に係る表示光学系１０１と撮像
光学系１０２、そしてシースルー光学系１０３の他の実
施形態について説明する。

【００８０】図６〜図８は本発明の実施形態５〜７の要
部概略図である。各実施形態５〜７は図２〜図５に示す
偏光板ＰＰ、カラーフィルターＣＦ、表示手段２等の構
成が同様に適用できる。

【００８１】図６〜図８において図１で示した要素と同
一要素には同符号を付している。次に各実施形態につい
て説明する。

【００８２】図６の実施形態５では、表示光学系１０１
の液晶ＬＣＤ２からの光が光学系６ａを介しプリズム体
９ａの入射面Ｅ１より入射後、全反射面７ａで全反射
し、光束分離手段４で反射し、プリズム体９ａの射出面
Ｅ２より射出して眼球１に入射している。撮像光学系１
０２では外界からの光はプリズム体９ｃの入射面Ｅ３よ
り入射後、光束分離手段４で反射し、全反射面７ｃで全
反射し、プリズム体９ｃの射出面Ｅ４より射出し、絞り
５と偏光板ＰＰを通過し、光学系６によってＣＣＤ３面
上に結像している。シースルー光学系の光の順路は図１
と同じ構成である。

【００８３】尚、本実施形態において、液晶ＬＣＤ２と
プリズム体９ａとの間に配置した光学系６ａは省略して
もよい。

【００８４】図７の実施形態６では、前述した図１〜図
４，図６の実施形態１〜５に比べて、表示光学系１０１
と撮像光学系１０２の両方がプリズム体を使用している
が、両光学系が単独の光束分離手段（８ａ，４）を有し
ている点が異なっており、その他の基本構成は同じであ
る。実施形態６では互いに独立した光学系を用いて、互
いに少ない光学面数で良好な光学性能を得ている。

【００８５】図７の実施形態６の表示光学系１０１と撮
像光学系１０２の光の順路は図６の実施形態５と同じで
ある。ただ、両光学系１０１，１０２のプリズム体９
ａ，９ｃの間に接合体１０を設けている点が異なってい
る。接合体１０は接着剤又は接合レンズ等から成ってい
る。このとき両プリズム体９ａ，９ｃと接合体１０の材
質の屈折率を同じくし、撮像光学系１０２の光路分離手
段４と表示光学系１０１の反射面９ａをハーフミラーに
するとシースルー光学系が成り立つ。シースルー光学系
の光路は外界からの光束が撮像光学系１０２のプリズム
体９ｃの入射面Ｅ３に入射し、光路分離手段４（ハーフ
ミラー）を透過し、接合体１０を通り、表示光学系１０
１のプリズム体９ａの反射面８ａを透過し、射出面Ｅ２
に臨界角度以下の入射角で入射して、透過して眼球１に
入射している。

【００８６】図８の実施形態７では、各光学要素を曲率
を持った薄い反射板１２−１〜１２−３から構成してい
る。こうした場合は、シースルー光学系の光学性能劣化
がほとんどない為、良好な光学性能が得られる。

【００８７】図８の実施形態７では、光路分離手段４の
１面が反射面であり、表示光学系１０１は一方側の反射
面４を使用し、撮像光学系１０２は他方側の反射面４で
反射される。尚、シースルー光学系も成り立たせるとき
は、光路分離手段４の反射面をハーフミラーとする。

【００８８】表示光学系１０１の液晶ＬＣＤ２からの光
はレンズ６ａを通過し、反射板１２−１の反射面８ａで
反射し、反射板１２−２の光路分離手段４で反射し、反
射板１２−１を透過して眼球１に入射している。撮像光
学系１０２の外界からの光は反射板１２−３を透過、反
射板１２−２の光路分離手段４で反射し、反射板１２−
３の反射面８ｃで反射、絞り５と偏光板ＰＰを通過し光
学系６によってＣＣＤ３に結像している。シースルー光
学系の光束は撮像光学系１０２の反射板１２−３を透過
し、光路分離手段４（ハーフミラー）を透過、表示光学
系１０１の反射板１２−１を透過して眼球１に導かれて
いる。

【００８９】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、液晶ディ
スプレイ等の表示手段に表示した画像情報を観察する
際、表示手段からの光束を観察者の眼球に導光する為の
複数の偏心反射面を有するプリズム体を含む表示光学系
の構成及び外界の画像情報をＣＣＤ等の撮像素子面上に
結像させる撮像光学系の構成を適切に設定することによ
って、装置全体の小型化を図りつつ、該双方の画像情報
を良好なる状態で観察することができる複合表示装置を
達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の要部概略図

【図２】本発明の実施形態２の要部概略図

【図３】本発明の実施形態３の要部概略図

【図４】本発明の実施形態４の要部概略図

【図５】本発明の実施形態３，４に係るカラーフィルタ
ーの分光特性の説明図

【図６】本発明の実施形態６の要部概略図

【図７】本発明の実施形態７の要部概略図

【図８】本発明の実施形態８の要部概略図

【図９】本発明に係る表示手段の表示方法の説明図

【図１０】本発明に係るＣＣＤにおける撮像素子面上の
説明図

【図１１】本発明に係る表示手段の表示方法の説明図

【図１２】本発明に係るＣＣＤにおける撮像素子面上の
説明図

【符号の説明】

１ 眼球 ２ 小型液晶ＬＣＤ（表示手段） ３ 撮像素子ＣＣＤ ４ 光路分離手段（ミラー又はハーフミラーの偏心した
自由曲面） ５ 絞り ６，６ａ 光学系 ７ 全反射面（偏心した自由曲面） ８ 反射面（ミラー又はハーフミラーの偏心した自由曲
面） ９ａ，９ｃ プリズム体 １０ 接合体（接着剤又は接合レンズ） １２ 曲率を持った薄い反射板 １０１ 表示光学系 １０２ 撮像光学系 １０３ シースルー光学系 ＰＰ 偏光板 ２１ 表示手段 ２２ 偏光板 ３１ 光源 ４０ カラー液晶ＬＣＤ ４６ バックライト

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像情報を表示した表示手段からの光束
   を観察者の眼球に導光するプリズム体ａを有する表示光
   学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させるプリズ
   ム体ｃを有する撮像光学系とを有し、光路中に設けた光
   路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射
   する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球
   光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外
   界光軸とを略一致させており、該２つのプリズム体ａ，
   ｃは該光路分離手段を境に接合しており、該表示手段か
   らの光束が該撮像光学系の撮像素子に入射するのを防止
   する遮光手段とを有していることを特徴とする複合表示
   装置。
2. 【請求項２】 画像情報を表示した表示手段からの光束
   を観察者の眼球に導光する複数の反射面を有する表示光
   学系と、外界からの光束を撮像素子に結像させる複数の
   反射面を有する撮像光学系とを有し、光路中に設けた光
   路分離手段によって該表示光学系の観察者の眼球に入射
   する光束の眼球光軸又は該眼球光軸を延長した仮想眼球
   光軸と、該撮像光学系の外界から入射してくる光束の外
   界光軸とを略一致させており、該表示光学系と該撮像光
   学系中の複数の反射面は偏心し、曲率を有しており、該
   光路分離手段は、面頂点回りのアジムス角度により屈折
   力が異なる面より成り、該表示手段からの光束が該撮像
   光学系の撮像素子に入射するのを防止する遮光手段とを
   有していることを特徴とする複合表示装置。